(57)【要約】【課題】陰イオンを透過する電解質膜を用いた燃料電池において、生成水によって燃料が希釈されることで発電電力が低下することを抑制する。【解決手段】陰イオンを透過する電解質膜２及び該電解質膜２に形成された一対の触媒電極３ａ、３ｂを有し、水よりも沸点の高い液体燃料を燃料として用いる燃料電池１を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池１のアノード側触媒電極３ａを通って液体燃料が循環する燃料循環通路５において燃料の沸点よりも低い温度範囲内で燃料を加熱し、それによって、燃料中に含まれる生成水を蒸発させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰イオンを透過する電解質膜及び該電解質膜に形成された一対の触媒電極を有し、水よりも沸点の高い液体燃料を燃料として用いる燃料電池と、
該燃料電池のアノード側触媒電極を通って液体燃料が循環する燃料循環通路と、
該燃料循環通路を流れる液体燃料を該液体燃料の沸点よりも低い温度範囲内で加熱することで該液体燃料中に含まれる生成水を蒸発させる蒸発手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
内燃機関をさらに備え、
前記蒸発手段が前記内燃機関で生じる熱を用いて液体燃料を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料循環通路における、前記蒸発手段によって液体燃料が加熱される部分より下流側且つ前記燃料電池の燃料の入口より上流側に設けられ、液体燃料からの放熱を促進させる放熱手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する。燃料電池の電気化学反応は、イオン交換膜を陽イオンや陰イオンが透過することで実現される。
【０００３】
ここで、陽イオンを透過する酸性の電解質膜によって電気化学反応を実現する場合、強酸性の環境下においても優れた耐食性を発揮する白金等の貴金属触媒を使う必要がある。しかし、貴金属触媒は希少であるため、量産化やコスト削減の観点から、卑金属触媒を使った電気化学反応によって燃料電池の発電が実現されることが望まれる。そこで、触媒に耐食性を要しないアルカリ性の電解質膜で陰イオンを透過し、電気化学反応を実現する燃料電池の開発が望まれる。例えば、特許文献１には、アニオン透過膜を使った燃料電池システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−２９４２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
陰イオンを透過する電解質膜を用いた燃料電池においては、カソード側触媒電極へ酸化剤を与え、陰イオンと反応して水を生成する化合物を含む燃料をアノード側触媒電極へ与えると、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ透過した陰イオンによってアノード側の燃料が反応し、水が生成される。このように、アノード側において水が生成されると、該生成水によって燃料が希釈され、その結果、燃料電池の発電電力が低下する虞がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、陰イオンを透過する電解質膜を用いた燃料電池において、生成水によって燃料が希釈されることで発電電力が低下することを抑制することが出来る技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池のアノード側触媒電極を通って液体燃料が循環する燃料循環通路において燃料の沸点よりも低い温度範囲内で燃料を加熱し、それによって、燃料中に含まれる生成水を蒸発させるものである。
【０００７】
より詳しくは、本発明に係る燃料電池システムは、
陰イオンを透過する電解質膜及び該電解質膜に形成された一対の触媒電極を有し、水よりも沸点の高い液体燃料を燃料として用いる燃料電池と、
該燃料電池のアノード側触媒電極を通って液体燃料が循環する燃料循環通路と、
該燃料循環通路を流れる液体燃料を該液体燃料の沸点よりも低い温度範囲内で加熱することで該液体燃料中に含まれる生成水を蒸発させる蒸発手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、アノード側触媒電極に供給される液体燃料の生成水による希釈を抑制することが出来る。その結果、燃料電池の発電電力の低下を抑制することが出来る。
【０００９】
また、本発明においては、蒸発手段によって生成水を蒸発させた液体燃料がアノード側
触媒電極に再度供給される。従って、生成水によって希釈された液体燃料を外部に排出する場合に比べて、燃料を発電のために効率的に利用することが出来る。さらに、本発明においては、蒸発手段によって液体燃料を加熱する際の温度が液体燃料の沸点よりも低い温度範囲内である。従って、燃料自体の蒸発は抑制されるため、これによっても燃料の有効利用を図ることが出来る。
【００１０】
尚、ここでの液体燃料の沸点は、該液体燃料を加熱する際の周囲の圧力に応じた値である。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムが内燃機関をさらに備えている場合、内燃機関で生じる熱を液体燃料を加熱するために用いてもよい。この場合、内燃機関で生じる熱を有効に利用して液体燃料中に含まれる生成水を蒸発させることが出来る。
【００１２】
本発明においては、液体燃料からの放熱を促進させる放熱手段を燃料循環通路に設けてもよい。この場合、放熱手段は、燃料循環通路における、蒸発手段によって液体燃料が加熱される部分より下流側且つ燃料電池の燃料の入口より上流側に設けられる。
【００１３】
これによれば、燃料電池に再度供給される液体燃料の温度上昇を抑制することが出来る。その結果、燃料電池自体の温度上昇を抑制することが出来るため、燃料電池内からの水の蒸発を抑制することが出来る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、陰イオンを透過する電解質膜を用いた燃料電池において、生成水によって燃料が希釈されることで発電電力が低下することを抑制することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１６】
本実施例においては、本発明に係る燃料電池システムを車両に搭載した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【００１７】
燃料電池１は、電解質膜２及び該電解質膜２の形成された一対の触媒電極３ａ、３ｂを有している。図１においては、３ａがアノード側触媒電極を表しており、３ｂがカソード側触媒電極を表している。燃料電池１には温度センサ１７が設けられている。
【００１８】
電解質膜２はアニオン交換膜であり、陰イオンを透過する。また、本実施例に係る燃料電池１では、燃料として水より沸点の高い液体燃料が用いられる。該液体燃料としてはエチレングリコールを例示することが出来る。
【００１９】
尚、燃料電池１には、アノード側触媒電極３ａに供給される燃料が流通する燃料流路及び該燃料流路から供給される燃料を拡散させる拡散層がアノード電極側に設けられている。また、カソード側触媒電極３ｂに供給される空気が流通する空気流路及び該空気流路から供給される燃料を拡散させる拡散層がカソード電極側に設けられている。さらに、燃料電池１は、実際には、電解質膜２、一対の触媒電極３ａ、３ｂ、燃料流路、空気流路及び各触媒電極に設けられた拡散層を有する単セルが複数積層された構造となっている。しかしながら、図１においては、本実施例に係る燃料電池システムの特徴を説明するために、便宜的にこれらの構成については省略した。
【００２０】
燃料電池１の各単セルにおけるカソード側には、空気が流通する空気通路６が接続されている。図１における破線の矢印は、空気通路６における空気の流れ方向を表している。燃料電池１における空気の入口に接続された空気通路６にはエアポンプ１３及び空気圧力センサ１９が設けられている。また、燃料電池１における空気の出口に接続された空気通路６には空気の流量を制御する空気絞り弁１４が設けられている。
【００２１】
燃料電池１の各単セルにおけるアノード側には、液体燃料が循環する燃料循環通路５が接続されている。図１における実線の矢印は、燃料循環通路５における燃料の流れ方向を表している。
【００２２】
燃料循環通路５には燃料供給通路１０の一端が接続されている。該燃料供給通路１０の他端は、液体燃料を貯留する燃料タンク１１に接続されている。該燃料タンク１１から燃料供給通路１０を通って燃料循環通路５に燃料が供給される。燃料供給通路１０には燃料の逆流を防止するために逆止弁１２が設けられている。
【００２３】
燃料循環通路５には、実線の矢印で示す方向に燃料を循環させる燃料循環ポンプ９が設けられている。また、燃料循環通路５における燃料供給通路１０との接続部分より下流側且つ前記燃料電池１における燃料の入口より上流側には燃料圧力センサ１８が設けられている。
【００２４】
燃料電池１においては、空気通路６から燃料電池１内に流入した空気が酸化剤ガスとしてカソード側触媒電極３ｂに供給される（実際には、各セルにおいてカソード側触媒電極３ｂ側に積層された空気流路及び拡散層を介してカソード側触媒電極３ｂに空気が供給される。）。また、燃料電池１においては、燃料循環通路５から燃料電池１内に流入した液体燃料がアノード側触媒電極３ａに供給される（実際には、各セルにおいてアノード側触媒電極３ａ側に積層された燃料流路及び拡散層を介してアノード側触媒電極３ａに液体燃料が供給される。）。
【００２５】
これにより、カソード側触媒電極３ｂでの触媒反応によって陰イオンが生成され、電解質膜２が該陰イオンをアノード側触媒電極３ａに透過させる。そして、アノード側触媒電極３ａにおいて燃料と陰イオンとの電気化学反応が生じ、発電が実現される。
【００２６】
このとき、アノード側触媒電極３ａにおいては、燃料と陰イオンとの電気化学反応によって水が生成される。該生成水はカソード側触媒電極３ｂに透過されカソード側触媒電極３ｂにおける陰イオンの生成に寄与するが、そのうちの一部は液体燃料中に残留する。
【００２７】
本実施例においては、燃料電池１における燃料の出口から排出された液体燃料は、燃料循環通路５を流れて燃料電池１に再度流入する。そのため、燃料電池１から排出された液体燃料中に生成水が残留していると、生成水によって希釈された液体燃料がアノード側触媒電極３ａに供給されることとなる。この場合、燃料電池１の発電電力の低下を招く虞がある。
【００２８】
そこで、上記のような問題を解決するために、本実施例に係る燃料循環通路５には熱交換器７が設けられている。熱交換器７には、本実施例に係る車両駆動用の内燃機関１５の冷却水が循環する冷却水循環通路１６が接続されている。該冷却水循環通路１６には、内燃機関１５において加熱された高温の冷却水が循環する。
【００２９】
冷却水循環通路１６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ２１及びその流量を制御する冷却水絞り弁２２が設けられている。また、熱交換器７には、液体燃料の温度を検出する燃料温度センサ２０が設けられている。
【００３０】
熱交換器７においては、冷却水循環通路１６を流れる高温の冷却水と燃料循環通路５を流れる液体燃料との間で熱交換がなされる。即ち、高温の冷却水によって液体燃料が加熱される。ここでは、液体燃料の温度が１００℃以上且つ該液体燃料の沸点よりも低い範囲内に制御される。このような液体燃料の温度制御は、例えば、熱交換器７に流入する冷却水の流量を燃料温度センサ２０の検出値に基づいて調整することで可能となる。
【００３１】
このように、熱交換器７において液体燃料を加熱することにより、該液体燃料中に含まれる生成水を蒸発させることが出来る。従って、アノード側触媒電極３ａに供給される液体燃料の生成水による希釈を抑制することが出来る。その結果、燃料電池１の発電電力の低下を抑制することが出来る。
【００３２】
また、本実施例においては、熱交換器７において生成水を蒸発させた後の液体燃料がアノード側触媒電極３ａに再度供給されるため、希釈された液体燃料を外部に排出する場合に比べて、液体燃料を発電のために効率的に利用することが出来る。
【００３３】
また、本実施例では、熱交換器７において液体燃料を加熱する際の温度が、上記のように、液体燃料の沸点よりも低い温度範囲内に制御される。従って、液体燃料自体の蒸発は抑制されるため、これによっても燃料の有効利用を図ることが出来る。
【００３４】
また、本実施例に係る熱交換器７では、内燃機関１５の冷却水によって液体燃料を加熱する。そのため、内燃機関１５において生じる熱を生成水の蒸発のために有効利用することが出来る。
【００３５】
さらに、本実施例においては、燃料循環通路５における熱交換器７より下流側且つ燃料供給通路１０との接続部分より上流側に放熱部材８が設けられている。該放熱部材８においては燃料循環通路５を流れる液体燃料からの放熱が促進される。
【００３６】
これにより、熱交換器７において加熱された液体燃料の温度を１００℃より低い温度まで、燃料電池１に再度流入する前に低下させる。その結果、燃料電池１自体の温度上昇を抑制することが出来るため、燃料電池１内からの水の蒸発を抑制することが出来る。従って、燃料電池１の各セルにおいて水が不足することで発電電力が低下することを抑制することが出来る。
【００３７】
尚、燃料電池１内の圧力が大気圧ではない場合、その圧力に応じた水の沸点より低い温度まで、放熱部材８において液体燃料の温度を低下させる。
【００３８】
本実施例においては、熱交換器７が本発明に係る蒸発手段に相当する。しかしながら、本発明に係る蒸発手段は、熱交換器７に限られるのものではなく、その他の熱源により液体燃料を加熱させて生成水を蒸発させてもよい。また、本実施例においては、放熱部材８が本発明に係る放熱手段に相当する。
【００３９】
尚、本実施例においては、放熱部材８に代えて、内燃機関１の冷却水を冷却するためのラジエータを使用して液体燃料からの放熱を促進させてもよい。これによれば、放熱部材８を特に設ける必要がなくなる。
【００４０】
また、本実施例においては、液体燃料をエチレングリコールのように内燃機関１の冷却媒体としても用いられるものとし、内燃機関１の冷却媒体と共用してもよい。これによれば、燃料タンク１１と冷却媒体タンクとを共通化することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・燃料電池
２・・・電解質膜
３ａ・・アノード側触媒電極
３ｂ・・カソード側触媒電極
５・・・燃料循環通路
７・・・熱交換器
８・・・放熱部材
１０・・燃料供給通路
１１・・燃料タンク
１５・・内燃機関
１６・・冷却水循環通路
【図１】
2010108695.tif 000003